?3 月 10 日，蘋(píng)果在 2022 年春季發(fā)布會(huì)上 M1 Max 芯片的升級(jí)版 ——M1 Ultra?，創(chuàng)新性地采用了封裝架構(gòu) UltraFusion，將兩個(gè) M1 Max 芯片的管芯相連，制造出了具有前所未有性能和功能的片上系統(tǒng)（SoC）。

3 月 23 日，英偉達(dá)在 GTC 2022 大會(huì)?上發(fā)布了類(lèi)似的新聞。黃仁勛宣布推出首款面向 AI 基礎(chǔ)設(shè)施和高性能計(jì)算的數(shù)據(jù)中心專(zhuān)屬 CPU，其中新的 Grace Hopper 可以在同一塊主板上兩塊并聯(lián)，形成了一個(gè) 144 核的 Grace CPU 超級(jí)芯片，內(nèi)存帶寬為 1TB/s。

兩家公司的芯片具有不同的目標(biāo)市場(chǎng)。蘋(píng)果瞄準(zhǔn)消費(fèi)者和專(zhuān)業(yè)工作站市場(chǎng)，而英偉達(dá)力圖在高性能計(jì)算市場(chǎng)掀起風(fēng)云。然而，目標(biāo)的不同只會(huì)凸顯快速結(jié)束單芯片設(shè)計(jì)時(shí)代面臨的廣泛挑戰(zhàn)。

圖源：top10.digital

芯片巨頭紛紛入場(chǎng)

多芯片設(shè)計(jì)不是什么新概念，但直到最近五年才越來(lái)越受青睞。AMD、蘋(píng)果、英特爾和英偉達(dá)等芯片巨頭都不同程度地涉足其中。

AMD 通過(guò)自身的 EPYC 和 RYZEN 處理器在小芯片（chiplet）設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開(kāi)探索。英特爾在 2021 年架構(gòu)日活動(dòng)上發(fā)布了下一代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器 Sapphire Rapids?，這款面向服務(wù)器市場(chǎng)的架構(gòu)使用小芯片「tiles」構(gòu)建而成。

現(xiàn)在，蘋(píng)果和英偉達(dá)也加入了多芯片設(shè)計(jì)的行列，盡管面向的目標(biāo)市場(chǎng)截然不同。應(yīng)該看到，向多芯片設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變是由現(xiàn)代芯片制造中的挑戰(zhàn)所驅(qū)動(dòng)的。晶體管小型化的速度已經(jīng)變慢，但前沿設(shè)計(jì)中晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)仍未見(jiàn)放緩的跡象。

以蘋(píng)果 M1 Ultra 芯片為例，它的晶體管數(shù)量為 1140 億，是個(gè)人計(jì)算機(jī)芯片中有史以來(lái)最多的，為 M1 的 7 倍。單個(gè) M1 Max 的芯片面積為 432 平方毫米，由此推知，M1 Ultra 的面積約為 860 平方毫米（官方數(shù)字未知）。

M1 Ultra 示意圖。

英偉達(dá) Grace CPU 的晶體管數(shù)量處于保密狀態(tài)，但與它一起發(fā)布的 Hopper H100 GPU 擁有 800 億個(gè)晶體管，20 塊即可承載全球流量。2019 年，AMD 發(fā)布的 64 核 EYPC Rome 處理器擁有 395 億個(gè)晶體管。

英偉達(dá) Grace CPU 超級(jí)芯片。

市場(chǎng)研究公司 Counterpoint Research 的研究分析師 Akshara Bassi 表示，「隨著芯片面積變得越來(lái)越大以及晶圓成品率問(wèn)題越來(lái)越重要，多芯片模塊封裝設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)比單芯片設(shè)計(jì)更佳的功耗和性能表現(xiàn)?！?/p>

目前，除了致力于造出單個(gè)完整硅晶圓的 AI 芯片創(chuàng)業(yè)公司 Cerebras 之外，芯片行業(yè)似乎達(dá)成了一致意見(jiàn)，即單芯片設(shè)計(jì)變得越來(lái)越「得不償失」。

2021 年 4 月，Cerebras 發(fā)布了 2.6 萬(wàn)億晶體管、比 ipad 還大的巨無(wú)霸芯片 WSE 2。

此外，行業(yè)轉(zhuǎn)向小芯片與芯片制造商的支持是同步進(jìn)行的。2020 年 8 月，全球最大芯片代工廠臺(tái)積電推出了 3DFabric 先進(jìn)封裝技術(shù)系列，包含了前端 3D 硅堆棧和后端封裝技術(shù)。

AMD 在其 EPYC 和 RYZEN 處理器設(shè)計(jì)中使用了屬于 3DFabric 的技術(shù)，并且?guī)缀蹩梢钥隙ㄌO(píng)果 M1 Ultra 芯片也使用了臺(tái)積電相關(guān)封裝技術(shù)（雖然蘋(píng)果尚未給予確認(rèn)，但 M1 Ultra 是由臺(tái)積電制造的）。

其他芯片巨頭如英特爾，它有自己的封裝技術(shù)，如 EMIB 和 Foveros。盡管最開(kāi)始意在自己使用，但隨著英特爾代工服務(wù)的開(kāi)展，該公司的芯片制造技術(shù)正變得與更廣泛的行業(yè)息息相關(guān)。

多芯片設(shè)計(jì)的前景如何？

另一家市場(chǎng)研究公司 Hyperion Research 的一位高級(jí)分析師 Mark Nossokoff 認(rèn)為，「圍繞基礎(chǔ)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造和封裝的生態(tài)已經(jīng)發(fā)展到了能夠支持『設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)可靠生成小芯片解決方案』的程度。無(wú)縫集成多樣化小芯片功能的軟件設(shè)計(jì)工具也已經(jīng)成熟到可以?xún)?yōu)化目標(biāo)解決方案的性能了?！?/p>

小芯片將繼續(xù)存在，但就目前而言，該領(lǐng)域是一個(gè)孤島。AMD、蘋(píng)果、英特爾和英偉達(dá)正在將自研的互連設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于特定的封裝技術(shù)中。

今年 3 月 2 日，英特爾、AMD、Arm、高通、臺(tái)積電、三星、日月光、谷歌云、Meta、微軟等十大巨頭宣布成立 Chiplet 標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟，推出了通用小芯片互連標(biāo)準(zhǔn)（Universal Chiplet Interconnection Express, UCIe），希望將行業(yè)聚合起來(lái)。該標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)面針對(duì)成本效益性能的「標(biāo)準(zhǔn)」2D 包和面向前沿設(shè)計(jì)的「高級(jí)」包。 

UCIe 還支持通過(guò) PCIe 和 CXL 進(jìn)行封裝之外（off-package）的連接，從而為高性能計(jì)算環(huán)境中跨多臺(tái)機(jī)器連接多個(gè)芯片提供了可能。

UCIe 白皮書(shū)中 UCIe 封裝方案示例。

UCIe 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)開(kāi)始，它的未來(lái)仍有待觀察。Nossokoff 對(duì)此表示，最初發(fā)起 UCIe 的創(chuàng)始成員代表了眾多技術(shù)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)者，但很多主要組織并沒(méi)有加入進(jìn)來(lái)，包括蘋(píng)果、AWS、博通、IBM、英偉達(dá)以及其他硅代工廠和內(nèi)存芯片供應(yīng)商。

Bassi 指出，英偉達(dá)可能特別不愿意加入 UCIe 聯(lián)盟。英偉達(dá)已經(jīng)為定制硅集成開(kāi)放了自研的 NVLink-C2C 互連技術(shù)，使其成為了 UCIe 的潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

雖然 UCIe 和 NVLink-C2C 等芯片互連技術(shù)的命運(yùn)決定了行業(yè)游戲規(guī)則，但它們不太可能改變行業(yè)現(xiàn)有局面。?